CN104569484B - 一种多输入多输出阵列式超声测风系统及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多输入多输出阵列式超声测风系统及测量方法，测风系统包括有安装座、数个超声波传感器、固定支架、反射半球和控制及处理电路板，其中数个超声波传感器设在安装座的顶面，固定支架的下端固定在安装座上，反射半球设在固定支架的上端，其具体方法为：第一步、系统上电后，数据处理模块中进行处理；第二步、进行滑动平均处理；第三步、分别作互相关运算，第四步、x轴上任意一个超声波传感器、y轴上任意一个超声波传感器和反射半球可构成一个测量面，第五步、将上述的第一步至第四步循环进行就能够得到实时的风速和风向，有益效果：不会形成涡流，接收信号稳定；进一步提高了风速风向测量的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及一种超声测风系统及测量方法，特别涉及一种多输入多输出阵列式超声测风系统及测量方法。
背景技术
目前，与传统的机械式风速风向仪相比较，超声波测风系统的优势有:无启动风速限制，环境适应能力强，可适应全天侯天气，没有机械磨损、不易腐蚀，使用寿命长、精度高、智能化、高可靠性，安装简单、维护及校正简便等；其不仅可以满足军事领域的气象测风需求，而且在民用上也有很多的用途，例如在气候气象、城市环境监测、风力发电气象监测、桥梁隧道、汽车高速公路、航海船舶和航空机场等方面有相当好的应用前景，另外也可以作为一个小型的气象站，应用前景非常广泛。
现有的超声波测风系统，根据超声波的传播方式可分为直射式和反射式，直射式超声波测风系统比较典型的有发明专利“超声波风速仪及运用超声波测量风速和风向的方法(申请号：200810101288.6)”所提出的四臂、二维超声波风速仪，和发明专利“一种风电场三维超声波风速温度检测系统及其测量方法(申请号：201310081265.4)”所提出的六臂、三维超声波风速仪；反射式超声波测风系统比较典型的有发明专利“反射式超声波风速风向仪及其测量方法(申请号：201110175615.4)”所提出的反射式超声波风速风向仪。
实际使用中，直射式测量方法存在两个主要问题：一是传感器支架结构一致性难以保证，二是接收端声波信号强度受风速变化影响较大；而反射式测量方法存在的问题是仪器结构对风场的影响较大，容易在仪器的传感器所在面与反射面形成的测量腔内形成涡流，特别是在风速较大时，会导致较大的测量误差。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的超声波测风系统在使用过程中存在的诸多问题而提供的一种多输入多输出阵列式超声测风系统。
本发明提供的多输入多输出阵列式超声测风系统包括有安装座、数个超声波传感器、固定支架、反射半球和控制及处理电路板，其中数个超声波传感器设在安装座的顶面，固定支架的下端固定在安装座上，反射半球设在固定支架的上端，控制及处理电路板设在安装座内，控制及处理电路板与数个超声波传感器连接并控制数个超声波传感器的工作。
数个超声波传感器呈“L”型等边布设，相邻的超声波传感器间距相等，每个超声波传感器与反射半球之间的仰角均为45°。
反射半球为半球形反射面。
控制及处理电路板为印刷电路板，用于控制和驱动各超声波传感器的接收和发送，以及对接收信号进行处理，得到风速和风向信息；控制及处理电路板包括：与超声波传感器数量对应的收发模块、放大滤波模块、AD采样模块、控制及数据处理模块和通信接口；其中各收发模块与对应的超声波传感器连接，用于驱动超声波传感器和接收反射回来的超声反射信号，其驱动信号由控制及数据处理模块给出，输出的超声反射信号输入到放大滤波模块，放大滤波模块的输出端与AD采样模块连接，AD采样模块的输出端与控制及数据处理模块连接，控制及数据处理模块的作用是控制系统的运行、对接收数据进行处理得到风速风向和与外部仪器仪表进行通信，控制及数据处理模块为高性能的微处理器；通信接口用于系统与外部的仪器仪表之间的数据交换，为RS-232或RS-485或RS-422串行通信接口。
本发明提供的多输入多输出阵列式超声测风的测量方法，其具体方法如下所述：
第一步、系统上电后，控制及数据处理模块依次向数个收发模块发出驱动信号，依次驱动数个超声波传感器发射超声波脉冲束，其中一侧的超声波传感器发射超声波脉冲束时，另一侧的超声波传感器和中间的超声波传感器用于接收反射信号，总共可接收到数组反射信号；中间的超声波传感器发射超声波脉冲束时，两侧的超声波传感器均用于接收反射信号，总共可接收到数组反射信号，这些反射信号经过放大滤波模块的放大和滤波后进入AD采样模块，AD采样模块将模拟量的反射信号转换为数字量的反射信号，再传送到控制及数据处理模块中进行处理；
第二步、对第一步中测得的各组反射信号进行滑动平均处理，处理方法如下：设反射信号为S(n)(n＝1，2，……，N)，N为接收到的反射信号数据长度，从数字量反射信号的第10个数据起，取该数据及其前9个数据共10个数据的平均值作为该数据，即：
S(k)＝[S(k)+S(k-1)+......+S(k-9)]/10，(k＝10，11，......，N)，
这样在一定程度上对信号进行了平滑滤波处理；
第三步、用发射信号与以上各组反射信号分别作互相关运算，得到对应的互相关函数，搜索互相关函数的最大值，最大值对应的时间点即为收发信号间的传播时间，具体如下：
设发射信号为：x(n)＝k1s(n+n1)+n1(n)，则接收信号可表示为：y(n)＝k2s(n+n2)+n2(n)，式中k1、k2为衰减因子，n1、n2为延迟时间，s(n)为信号,n1(n)、n2(n)为0均值高斯白噪声，对收发信号进行互相关运算可得到其相关函数为：
由于噪声之间、噪声与信号之间均不相关，将x(n)、y(n)带入上式，可化简为：
即最后所求的互相关函数不包含噪声信息，可将噪声过滤掉，由相关函数的性质知：|Rxy(m)|≤Rxy(0)，即当m＝n2-n1时，Rxy(m)取最大值，而(n2-n1)Δt即为所求的时间差，Δt为AD采样周期，是一个已知量，这样控制及数据处理模块求得对应的Rxy(m)值后，对其进行搜索，其取得最大值时，记下此时的m值，此时的mΔt即为所求收发信号间的传播时间；用同样的方法可得到数个与各超声波传感器两两之间相对应的传播时间；
第四步、x轴上任意一个超声波传感器、y轴上任意一个超声波传感器和反射半球可构成一个测量面，通过间接时差法可计算出风速在这个测量面上的分量V1，该风速分量平行于两个超声波传感器之间的连线，间接时差法原理如下：
设声速为C，顺风时超声波的传播速度为：
VS21S28＝C+V1
设超声波传播距离为d，超声波由x轴上的超声波传感器传播到y轴上的超声波传感器的时间为：
逆风时，超声波的传播速度为：
VS28S21＝C-V1
超声波由y轴上的超声波传感器传播到x轴上的超声波传感器的时间为：
第三步中已测得t1和t2,即可得到该测量面上的风速分量为：
不重合的任意两个测量面上风速分量的合成都可得到一个合成风速，根据精度要求选择要合成的风速个数，再对这些合成风速求平均值，就可得到实际风速；
第五步、将上述的第一步至第四步循环进行就能够得到实时的风速和风向，控制及数据处理模块通过通信接口能够实时向外部仪器仪表输出风速和风向。
本发明的有益效果：
1)本发明结构简单，在保证结构稳定的同时，减小了仪器本身对风场的影响，不会形成涡流，接收信号稳定；
2)对接收信号先进行模拟滤波，再进行数字滑动平均处理，最后采用互相关法计算收发信号间的传播时间，更大限度地减少了噪声的影响，采用间接时差法计算各风速分量，减少了外部环境对时间测量的影响，极大的提高了时间测量的准确性和稳定性，从而提高了风速风向测量的准确性和稳定性；
3)采用多输入多输出的方式，在相同的时间里获得了更多的数据，可得到更多的风速分量信息，通过合成得到更多的风速信息，取平均后，进一步提高了风速风向测量的准确性。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为本发明的总体电路模块功能框图。
图3为本发明的信号传播示意图。
图4为本发明中各超声波传感器和反射半球面在直角坐标系中相对位置及信号传播示意图。
图5为本发明中两个测量面上风速分量在直角坐标系中的示意图。
1、安装座 2、超声波传感器 3、固定支架 4、反射半球
5、控制及处理电路板 10、收发模块 11、放大滤波模块
12、AD采样模块 13、控制及数据处理模块 14、通信接口。
具体实施方式
请参阅图1、图2、图3、图4和图5所示：
本发明提供的多输入多输出阵列式超声测风系统包括有安装座1、九个超声波传感器2、固定支架3、反射半球4和控制及处理电路板5，其中九个超声波传感器2设在安装座1的顶面，固定支架3的下端固定在安装座1上，反射半球4设在固定支架3的上端，控制及处理电路板5设在安装座1内，控制及处理电路板5与九个超声波传感器2连接并控制九个超声波传感器2的工作。
九个超声波传感器2呈“L”型等边布设，相邻的超声波传感器2间距相等，每个超声波传感器2与反射半球4之间的仰角均为45°。
反射半球4为半球形反射面。
控制及处理电路板5为印刷电路板，用于控制和驱动各超声波传感器2的接收和发送，以及对接收信号进行处理，得到风速和风向信息；控制及处理电路板5包括：与超声波传感器2数量对应的收发模块10、放大滤波模块11、AD采样模块12、控制及数据处理模块13和通信接口14；其中各收发模块10与对应的超声波传感器2连接，用于驱动超声波传感器2和接收反射回来的超声反射信号，其驱动信号由控制及数据处理模块13给出，输出的超声反射信号输入到放大滤波模块11，放大滤波模块11的输出端与AD采样模块12连接，AD采样模块12的输出端与控制及数据处理模块13连接，控制及数据处理模块13的作用是控制系统的运行、对接收数据进行处理得到风速风向和与外部仪器仪表进行通信，控制及数据处理模块13为高性能的微处理器；通信接口14用于系统与外部的仪器仪表之间的数据交换，为RS-232或RS-485或RS-422串行通信接口。
本发明提供的多输入多输出阵列式超声测风的测量方法，其具体方法如下所述：
第一步、系统上电后，控制及数据处理模块13依次向九个收发模块10发出驱动信号，依次驱动九个超声波传感器2发射超声波脉冲束，其中一侧的四个超声波传感器2发射超声波脉冲束时，另一侧的四个超声波传感器2和中间的超声波传感器2用于接收反射信号，总共可接收到四十组反射信号；中间的超声波传感器2发射超声波脉冲束时，两侧的超声波传感器2均用于接收反射信号，总共可接收到八组反射信号，这些反射信号经过放大滤波模块11的放大和滤波后进入AD采样模块12，AD采样模块12将模拟量的反射信号转换为数字量的反射信号，再传送到控制及数据处理模块13中进行处理；
第二步、对第一步中测得的各组反射信号进行滑动平均处理，处理方法如下：设反射信号为S(n)(n＝1，2，……，N)，N为接收到的反射信号数据长度，从数字量反射信号的第10个数据起，取该数据及其前9个数据共10个数据的平均值作为该数据，即：
S(k)＝[S(k)+S(k-1)+......+S(k-9)]/10，(k＝10，11，......，N)，
这样在一定程度上对信号进行了平滑滤波处理；
第三步、用发射信号与以上各组反射信号分别作互相关运算，得到对应的互相关函数，搜索互相关函数的最大值，最大值对应的时间点即为收发信号间的传播时间，具体如下：
设发射信号为：x(n)＝k1s(n+n1)+n1(n)，则接收信号可表示为：y(n)＝k2s(n+n2)+n2(n)，式中k1、k2为衰减因子，n1、n2为延迟时间，s(n)为信号,n1(n)、n2(n)为0均值高斯白噪声，对收发信号进行互相关运算可得到其相关函数为：
由于噪声之间、噪声与信号之间均不相关，将x(n)、y(n)带入上式，可化简为：
即最后所求的互相关函数不包含噪声信息，可将噪声过滤掉，由相关函数的性质知：|Rxy(m)|≤Rxy(0)，即当m＝n2-n1时，Rxy(m)取最大值，而(n2-n1)Δt即为所求的时间差，Δt为AD采样周期，是一个已知量，这样控制及数据处理模块求得对应的Rxy(m)值后，对其进行搜索，其取得最大值时，记下此时的m值，此时的mΔt即为所求收发信号间的传播时间；用同样的方法可得到数个与各超声波传感器两两之间相对应的传播时间；
第四步、x轴上任意一个超声波传感器2、y轴上任意一个超声波传感器2和反射半球4可构成一个测量面，通过间接时差法可计算出风速在这个测量面上的分量V1，该风速分量平行于两个超声波传感器2之间的连线，间接时差法原理如下：
设声速为C，顺风时超声波的传播速度为：
VS21S28＝C+V1
设超声波传播距离为d，超声波由x轴上的超声波传感器传播到y轴上的超声波传感器的时间为：
逆风时，超声波的传播速度为：
VS28S21＝C-V1
超声波由y轴上的超声波传感器2传播到x轴上的超声波传感器2的时间为：
第三步中已测得t1和t2,即可得到该测量面上的风速分量为：
不重合的任意两个测量面上风速分量的合成都可得到一个合成风速，根据精度要求选择要合成的风速个数，再对这些合成风速求平均值，就可得到实际风速；
第五步、将上述的第一步至第四步循环进行就能够得到实时的风速和风向，控制及数据处理模块13通过通信接口14能够实时向外部仪器仪表输出风速和风向。
Claims (3)
1.一种多输入多输出阵列式超声测风系统，包括有安装座、数个超声波传感器、固定支架、反射半球和控制及处理电路板，其中数个超声波传感器设在安装座的顶面，固定支架的下端固定在安装座上，反射半球设在固定支架的上端，控制及处理电路板设在安装座内，控制及处理电路板与数个超声波传感器连接并控制数个超声波传感器的工作，其特征在于：所述的超声波传感器设为九个，九个超声波传感器呈“L”型等边布设，相邻的超声波传感器间距相等，每个超声波传感器与反射半球之间的仰角均为45°，反射半球为半球形反射面。
2.根据权利要求1所述的一种多输入多输出阵列式超声测风系统，其特征在于：所述的控制及处理电路板为印刷电路板，用于控制和驱动各超声波传感器的接收和发送，以及对接收信号进行处理，得到风速和风向信息；控制及处理电路板包括：与超声波传感器数量对应的收发模块、放大滤波模块、AD采样模块、控制及数据处理模块和通信接口；其中各收发模块与对应的超声波传感器连接，用于驱动超声波传感器和接收反射回来的超声反射信号，其驱动信号由控制及数据处理模块给出，输出的超声反射信号输入到放大滤波模块，放大滤波模块的输出端与AD采样模块连接，AD采样模块的输出端与控制及数据处理模块连接，控制及数据处理模块的作用是控制系统的运行、对接收数据进行处理得到风速风向和与外部仪器仪表进行通信，控制及数据处理模块为高性能的微处理器；通信接口用于系统与外部的仪器仪表之间的数据交换，为RS-232或RS-485或RS-422串行通信接口。
3.一种多输入多输出阵列式超声测风的测量方法，其具体方法如下所述：
第一步、系统上电后，控制及数据处理模块依次向九个收发模块发出驱动信号，依次驱动九个超声波传感器发射超声波脉冲束，其中一侧的超声波传感器发射超声波脉冲束时，另一侧的超声波传感器和中间的超声波传感器用于接收反射信号，总共可接收到数组反射信号；中间的超声波传感器发射超声波脉冲束时，两侧的超声波传感器均用于接收反射信号，总共可接收到数组反射信号，这些反射信号经过放大滤波模块的放大和滤波后进入AD采样模块，AD采样模块将模拟量的反射信号转换为数字量的反射信号，再传送到控制及数据处理模块中进行处理；
第二步、对第一步中测得的各组反射信号进行滑动平均处理，处理方法如下：设反射信号为S(n)(n＝1，2，……，N)，N为接收到和反射信号数据长度，从数字量反射信号的第10个数据起，取该数据及其前9个数据共10个数据的平均值作为该数据，即：
S(k)＝[S(k)+S(k-1)+......+S(k-9)]/10，(k＝10，11，......，N)，
这样在一定程度上对信号进行了平滑滤波处理；
第三步、用发射信号与以上各组反射信号分别作互相关运算，得到对应的互相关函数，搜索互相关函数的最大值，最大值对应的时间点即为收发信号间的传播时间，具体如下：
设发射信号为：x(n)＝k1s(n+n1)+n1(n)，则接收信号可表示为：y(n)＝k2s(n+n2)+n2(n)，式中k1、k2为衰减因子，n1、n2为延迟时间，s(n)为信号,n1(n)、n2(n)为0均值高斯白噪声，对收发信号进行互相关运算可得到其相关函数为：
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由于噪声之间、噪声与信号之间均不相关，将x(n)、y(n)带入上式，可化简为：
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1
即最后所求的互相关函数不包含噪声信息，可将噪声过滤掉，由相关函数的性质知：|Rxy(m)|≤Rxy(0)，即当m＝n2-n1时，Rxy(m)取最大值，而(n2-n1)Δt即为所求的时间差，Δt为AD采样周期，是一个已知量，这样控制及数据处理模块求得对应的Rxy(m)值后，对其进行搜索，其取得最大值时，记下此时的m值，此时的mΔt即为所求收发信号间的传播时间；用同样的方法可得到九个与各超声波传感器两两之间相对应的传播时间；
第四步、x轴上任意一个超声波传感器、y轴上任意一个超声波传感器和反射半球可构成一个测量面，通过间接时差法可计算出风速在这个测量面上的分量V1，该风速分量平行于两个超声波传感器之间的连线，间接时差法原理如下：
设声速为C，顺风时超声波的传播速度为：
VS21S28＝C+V1
设超声波传播距离为d，超声波由x轴上的超声波传感器传播到y轴上的超声波传感器的时间为：
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第五步、将上述的第一步至第四步循环进行就能够得到实时的风速和风向，控制及数据处理模块通过通信接口能够实时向外部仪器仪表输出风速和风向。
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